Sistemas de Referencia

Como ya se ha comentado anteriormente una de las necesidades principales del sistema DP debe de ser el conocimiento exacto de la posición del buque, para ello los PRS deben abastecer en todo momento al sistema DP de manera estable y fiable. Existen diversos tipos de PRS pero es importante escoger cuáles escoger según sus características. Se pueden separar los PRS según su precisión, ya que será esta característica la que permita conocer la posición del buque de la manera más exacta posible. A mayor precisión más exactitud en los datos que nos permitirán llevar a cabo una maniobraprecisa.
Los PRS deben ser fiables, ya que el fallo de este podría provocar un auténtico desastre.Para evitar esto es recomendable tener varios sistemas de referencia de posición trabajando al mismo tiempo. Los diferentes PRS están conectados mediante el ordenador principal que estudia sus valores y es capaz de determinar si uno de ellos está averiado comparándolo con los datos de los otros, de esta manera lo pone fuera de funcionamiento si es necesario. Mientras más semejantes sean los valores de un PRS con otro mayor es el grado de precisión de este y sus datos adquieren mayor importancia (mayor peso específico) respecto a los demás teniendo prioridad en losdiversos cálculos que se realizan. Los sistemas de referencia de posición también deben de ser estables, como ya se ha dicho durante la navegación existen grandes variaciones de movimiento del buque, todos estos cambios de posición deben de ser recogidos por el PRS rápidamente (1 segundo o más rápido). Mientras más rápido sea capaz de recoger datos el PRS mayor peso específico adquirirán estos y mayor importancia a la hora de calcular datos.La rapidez de actualización de los sistemas PRS también es importante. A menudo en las operaciones DP se requiere una rapidez de actualización de datos de un segundo, por lo tanto los sistemas PRS deben poder tomar referencias de posición a esta velocidad. En algunos sistemas como los hidroacústicos no es posible abastecer este nivel de rapidezdependiendo a la profundidad en la que el buque se encuentre trabajando. Por este motivo, para estos tipos de PRS se reduce el tiempo de actualización.
Un aspecto a tener en cuenta es que normalmente se trabaja con más de un sistema de referencia de posición al mismo tiempo y estos sistemas de referencia de posición no siempre expresan los mismos valores, para entender cómo se soluciona esto debemos tener en cuenta un importante término llamado varianza. Cuando dos o más sistemas de referencia de posición se encuentran trabajando simultáneamente aparecen diferencias de valores entre unos y otros a los cuales llamamos varianza.

La proyección Universal Transverse Mercator (UTM) se utiliza ampliamente para levantamientos y otros trabajos en alta mar. Gran parte de la navegación relacionada con DP se basará en el sistema UTM, por lo que aquí se proporciona una descripción.

UTM es un sistema de cuadrícula basado en Norte y Este, en metros. La intención es reducir la distorsión presente en la proyección Mercator tradicional, basada en Latitud, Longitud y Norte Verdadero. UTM es, como Mercator, una proyección cilíndrica, pero en UTM el eje del cilindro corre a lo largo del plano del ecuador; la línea de contacto entre el cilindro y la esfera es, por tanto, un meridiano y su anti-meridiano. Obviamente, una sola proyección cilíndrica de este tipo no puede usarse para trazar la superficie terrestre completa, y si la diferencia de longitud entre el meridiano de contacto y el área trazada fuera grande, entonces la distorsión también sería grande.

El alcance útil de la proyección consiste en una zona de 6 grados de longitud de ancho, centrada sobre el meridiano de contacto, conocido como MERIDIANO CENTRAL. Dentro de esta zona, las distorsiones son mínimas. Las zonas están numeradas desde el meridiano de 180o hacia el EAST. Así, la zona 1 se extiende de 180o a 174o Oeste, con el Meridiano Central en 177o Oeste. El Mar del Norte se encuentra principalmente dentro de la zona 31 (Greenwich a 6o E, Meridiano central 3oE).

Dentro de una zona en particular, las orientaciones norte y este (en metros) están organizadas para aumentar en dirección norte y este, respectivamente, independientemente de la posición en el globo. Para las orientaciones del norte, el datum es el ecuador, y las orientaciones del hemisferio norte tienen un valor de cero en el ecuador y aumentan hacia el norte. Para el hemisferio sur, se establece un norte falso de 10,000,000 en el ecuador, con valores de norte que disminuyen a medida que uno se mueve hacia el sur. Esto resuelve el problema de requerir valores positivos que aumenten hacia el norte en todo momento.

2. Sistemas Satelitales

Sistema GPS

Este sistema utiliza los satélites y vehículos espaciales situados en órbita para conocer la posición de un elemento en la superficie terrestre. Un número total de 24 satélites componen la constelación. El funcionamiento de los sistemas GPS es muy conocido, se transmiten códigos que contienen las coordenadas espaciales. Estos códigos son recibidos por el buque y de esta manera se conoce su posición. Los posibles errores de posicionamiento obtenidos pueden ser minimizados utilizando cuatro o más satélites simultáneamente.
Uno de los inconvenientes que presenta es que las señales se topen con alguna estructura en su recorrido, esto daría un error de la medición de la distancia recorrida. Por lo que en trayectos múltiples esto puede tener un efecto perjudicial sobre la exactitud de la posición y la estabilidad.

Sistema GPS/DGPS diferenciales

Cabe aclarar que GPS y DGPS son dos sistemas de referencia diferentes pero debido a que la precisión de la posición obtenida por GPS no es lo suficientemente precisa para su uso en DP se mejora mediante una estación de referencia fija basada en tierra que compara ambas posiciones. Las correcciones que se obtienen utilizando estos dos sistemas se envían a los receptores DGPS mediante el uso de frecuencias de radio de onda larga, pero estas tienen limitaciones. La mejor solución a esto es recibir las correcciones por satélite donde se tiene total cobertura y la actualización de lascorrecciones es menor a los 5 segundos. Se puede decir que la precisión del DGPS varía en 1 y 3 metros.Una gran desventaja que da este sistema es que debido a la actividad solar puede llegarse incluso a perder la señal GPS.Una posible opción que se puede contemplar es la de utilización de sistemas de aumento, como la combinación de la posición GPS con GLONASS, que se comentará seguidamente.

Sistema GLONASS

Operativo desde la década de los ochenta, cuando se empezaron a poner en órbita los satélites que forman el sistema. Es un sistema incompleto, aunque puede llegar a ofrecer precisiones que superan incluso a las del GPS.Su funcionamiento es muy similar al del GPS. Está formado por 24 satélites colocados en el Sector Espacial de manera determinada que garantiza que cualquier punto de la tierra pueda ser contemplado por un mínimo de 5 satélites que proporcionen una gran cobertura en la navegación.Como se ha visto anteriormente, la combinación entre sistemas GPS y GLONASS resulta posible. GPS y GLONASS utilizan sistemas de referencia y tiempo diferentes, por lo que es necesario ajustar estos parámetros entre ambos. Esta combinación permite que el usuario se abastezca de un total de 48 satélites lo que le permite una fiabilidad extraordinaria.

3. Sistemas hidro acústicos

Este sistema implica la relación entre dos elementos, los transductores*, situados en el casco y emisores de señales acústicos y los transponedores**, situados en el fondo marino. Son uno de los sistemas de referencia más utilizados en el mundo de los sistemas DP ya que son capaces de fijar la posición determinada de un buque mediante la medición del tiempo en que la señal es enviada y recibida. No obstante, tiene varios inconvenientes como la pérdida de intensidad de la señal debida a la transformación en forma de calor o las distorsiones que producen los objetos situados en el fondo marino. Actualmente existe un gran problema con los sistemas hidroacústicos ya que el ruido de los propulsores del buque u otros presentes en el área de trabajo perjudica su eficiencia, al igual que las condiciones del agua en las que trabajemos, ya sea la salinidad, temperatura u otras alteraciones. No obstante, dependiendo del lugar de trabajo el usuario podrá elegir entre aquel que le beneficie más. Hoy en día en el mercado, los fabricantes de sistemas acústicos son muy limitados, se encuentra a Nautronix,Sonardyne y Kongsberg Simrad.Existen 3 tipos diferentes de sistemas hidroacústicos actualmente en el mercado:

*

* Dispositivo capaz de transformar una manifestación de energía de entrada en otra diferente de salida.

** Es un dispositivo electrónico que produce una respuesta cuando se recibe una llamada de radiofrecuencia.

Sistema Ultra-short Baseline

Este sistema también puede conocerse como SSBL o USBL. En este sistema, tan solo untranspondedor será situado en el fondo del mar. Este transpondedor es alimentadomediante baterías y está programado para responder a ciertas frecuencias codificadas.El buque se equipa mediante un transductor, que normalmente se encuentra en la parteinferior de una sonda que sobresale a 4 o 5m por debajo del nivel de la quilla del buque.

Este sistema funciona de la siguiente manera. Las señales de los transductores viajan a través del agua. Estas señales se detectan por el transpondedor, que responde después de un intervalo de tiempo conocido como retardo de vuelco. Esta respuesta es recibida después por el transductor y se pasa al transceptor para su procesamiento. El lapso de tiempo medido en total en realizar todo este proceso determina la distancia oblicua al transpondedor. Pero hace falta conocer otro valor para saber la posición del buque, ya que no basta solamente con la distancia, sino también la dirección de donde procede la señal. Por ello, el transductor es direccionalmente sensible, capaz de conocer una dirección exacta de procedencia de la señal.De esta forma, mediante la comunicación acústica entre el transceptor/transductor y un solo transpondedor colocado sobre el lecho marino se puede conocer la posición del buque. La precisión de estos sistemas es variable y depende de varios factores, pero generalmente se obtiene una precisión de alrededor del 1% al 2% de la profundidad del agua.A pesar de que la posición del buque puede ser conocida con tan solo un transpondedor colocado en el lecho marino, se puede aumentar la precisión con la colocación de varios.Cada uno de estos transpondedores será alimentado en frecuencia dando valores separados de la posición del buque.

Sistema Long Baseline (LBL)

En aguas donde la profundidad es mayor, la precisión de los sistemas USBL puede ser insuficiente para su uso como PRS para DP. En este sistema se obtiene la comunicación acústica utilizando un transductor en la parte inferior del buque y una matriz de calibrado de transpondedores situados en el fondo del mar. Estos transpondedores están situados para proporcionar un trayecto del rayo acústico entre 20º y 40º a la vertical.

Todos los transpondedores son interrogados por una transmisión común desde el transductor del buque. Cada respuesta llega al transductor en un momento diferente, lo que permite un rango de inclinación que se determinará para cada transpondedor.Como se sabe la triangulación de los transpondedores se calcula la posición de la embarcación.Los transpondedores deben colocarse, probarse y calibrarse antes de su uso. La configuración de la matriz debe ser introducida en el sistema HPR del buque junto con las coordenadas geográficas de cada transpondedor, una vez realizado este paso el sistema se encuentra totalmente referenciado. Dado que este sistema no requiere de la medición de los ángulos referenciados verticalmente la exactitud de la medición de la posición se ve modificada por los movimientos “roll” y “pitch” del buque. Con este método podemos llegar a una precisión del 0,2% al 0,4% de la profundidad del agua.

Como podemos ver en la imagen, los transpondedores envían señales al receptor que mediante un algoritmo y una triangulación permite conocer una posición muy precisa del buque, en este caso, un buzo . Este sistema podría ser utilizado con un mínimo de 2 transpondedores aunque mientras másse utilicen mayor precisión se obtendrá respecto a la posición.

Sistemas Short Baseline

Los sistemas SBL pueden lograr una precisión similar a los sistemas LBL, lo que los hace adecuados para trabajos de alta precisión

En este caso, la posición del buque es determinada mediante el uso de tres o más transductores (A,C,D) y un transpondedor (B). Uno de los transductores envía una señal al transpondedor y este responde enviando una señal que es recibida en los tres transductores, esto nos determinará las distancias BC, BD y BA y de esta manera sepuede calcular la posición del buque. Como se puede observar la posición siempre será relativa al transpondedor. En el caso de los buques en movimiento el sistema de posicionamiento SBL se combina con un receptor GPS y una brújula electrónica, ambos montados en el barco. Estos instrumentos determinan la ubicación y la orientación de la embarcación, que se combinan con los datos de posición relativa desde el sistema de SBL para establecer la posición del objetivo rastreado en coordenadas de tierra.Los sistemas de referencia cortos deben su nombre al hecho de que la distancia entre los transductores de referencia suele ser mucho menor que la distancia hasta el objetivo, tal como un vehículo robótico o buzo de aventurarse lejos del barco.

4. Sistema Artemis

Este sistema se ha hecho menos popular en los últimos años, ya que poco a poco ha ido siendo sustituido por algunos más precisos, aunque aún sigue siendo utilizado para determinadas operaciones en concreto.El sistema Artemis consiste en la colocación de unidades de transceptor/antena en una ubicación fija, normalmente plataformas offshore y otra unidad (unidad móvil) situada a borde del buque. Con este sistema se establece un enlace de microondas continuo entre las unidades fijas y las móviles. Estas señales son transmitidas por la unidad móvil, recibidas por la unidad fija y de nuevo se reciben por la unidad móvil. De esta manera se obtiene la distancia y el ángulo entre los dos elementos de una forma continua. Este sistema posee una gran ventaja y es que no es afectado ni por la lluvia ni por la niebla y un inconveniente es que la unidad a instalar en el buque es bastante pesada.

5. Sistema de alambre tenso (LTW)

Los sistemas de alambre tensos han estado siendo utilizados desde el primer buque equipado con un sistema de posicionamiento dinámico. En general, los sistemas LTW son menos populares y numerosos ahora pero aún están siendo equipados en alguna ocasión. Al igual que con el sistema Artemis los LTW han sido superados por otras alternativas.Utilizando una maquina se baja al fondo del mar un peso, mediante la medición de la cantidad de alambre abonado y el ángulo del cable con el buque se puede calcular la posición relativa. Este cable se mantiene amarrado al buque normalmente mediante una grúa, que en su extremo tiene un sensor que le permite calcular el ángulo que el cable presenta en ese momento, cuando este no sea el configurado los propulsores del buque se activan y lo retornan a su posición correcta.Un gran problema que presenta es que no puede ser utilizado durante fuertes temporales ya que se producirían muchos balances del buque que afectarían a la tensión del cable.Una gran limitación de este sistema es que presenta ángulos máximos de trabajo, para evitar que esto ocurra está dispuesto de alarmas que se activan cuando vaya a sobrepasar estos límites.

6. Sistema Laser

Fanbeam

El sistema por excelencia en buques de apoyo a plataformas, es de alta precisión en posicionamiento estático o semiestático y en el seguimiento de buques. Son sistemas muy sencillos, ya que sólo necesitan un pequeño prisma para ser instalado en la estructura del buque. Tiene riesgos como el bloqueo con objetos reflectantes. Su rango varía con el clima pero puede llegar a ser de unos 500 metros. El láser suele estar montado sobre el yugo y abarca un ángulo de 3600Es muy resistente y puede ser utilizado como equipo primario o como equipo de apoyo de seguridad del sistema. Es un equipo que resulta económico, rápido y de fácil instalación.

El equipo emite un pulso de luz (láser) que es reflejado por dispositivos colocados en cualquier objeto, como por ejemplo, una plataforma, las señales se reciben a bordo y son analizadas. El tiempo que tarda en llegar la señal por la velocidad de la luz es la distancia a la cual está situada la embarcación.Uno de los inconvenientes que presenta es que es necesario mantener una línea de visión sin obstáculos al reflector. Las señales se degradan si las lentes o reflectores se ensucian por sal incrustada o cualquier otro elemento. Para ello es necesario que la DPO revise los valores de intensidad de la señal obtenida.

CyScan

Es un sistema de alta fiabilidad que, al igual que el Fanbeam, puede ser utilizado como sistema primario o de seguridad. Está compuesto por un sistema de escáner y diversos sensores asociados a un PC que reciben y analizan los datos. También se puede encontrar en algunos muelles, ya que permite conocer la posición del buque y de su proa. En general, es un sistema muy parecido al Fanbeam.

6. Radius

El sistema Radius utiliza un interrogador situado en lo alto de la embarcación. Este interrogador deberá tener una buena vista hacia el horizonte y tiene un funcionamiento de 90º en horizontal. Los transpondedores están montados en las posiciones correspondientes en las plataformas de apoyo.Es posible aumentar el campo de visión a 180º instalando dos paneles configurados para que trabajen entre sí. Uno de los inconvenientes de este sistema es la precisión en largas distancias. Ya que se considera que tan solo se obtiene una buena calidad de lectura de la posición en distancias menores a 200m.

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